高水材料巷旁充填沿空留巷技术在屯兰矿应用研究

刘 蔷

（山西焦煤集团有限责任公司屯兰煤矿，山西 太原 030206）

1 工程概况

屯兰矿12509 工作面位于+750 m 水平南五盘区右翼，联合开采的2#、3#煤岩总厚度为4.10～4.70 m，平均厚4.39 m，煤层有益厚度平均3.59 m。其中2#煤厚2.60～3.20 m，平均2.96 m；3#煤厚0.40～0.70 m，平均0.63 m；2#煤与3#煤之间夹一层砂质泥岩，厚0.60～1.00 m，平均0.80 m。工作面煤层整体呈向斜构造，倾斜长度219 m，煤层最大倾角8°，最小倾角3°，平均5°。工作面北邻12507 工作面采空区，南邻12511 工作面，东邻土地沟断层，西接南五盘区大巷，如图1 所示，设皮带顺槽、轨道顺槽、切眼、瓦斯治理巷、措施巷五条巷道，所有巷道均沿2#煤顶板布置。煤层顶底板岩层特征见表1。以往屯兰矿采用的混凝土沿空留巷技术存在耗材量大、井下用工多、速度慢、劳动环境恶劣等问题，需研究更为高效的沿空留巷工艺。以12509 工作面为工程背景，展开高水速凝材料巷旁充填沿空留巷工艺的设计研究与应用试验。

表1 煤层顶底板情况表

图1 12509 工作面采掘工程平面图

2 巷旁支护体设计

进行沿空留巷巷旁支护体参数设计时，考虑顶板岩层的极限状态，通过简化得到弹性基础梁模型如图2（a）[1]。

图2 巷旁支护原理及高水速凝材料特性

岩块AB、BC 受力平衡，则可得：

扭矩为0，得：

AB 岩块扭矩为0 可得：

式中：α为工作面倾斜角度；c为巷道留巷支护后宽度；d为巷旁充填体宽度；h为基本顶厚度；Pq为巷旁支护体的切顶阻力；ML为基本顶可承受的极限弯矩；M0为基本顶由A点断裂后的残余弯矩；q为岩层容重；q0为直接顶自重；ΔSB为B点下沉量。12509 工作面相关参数如下：采高4.4 m，倾斜长度219 m，周期来压步距22 m，平均埋深330 m，基本顶平均厚度4.1 m，直接顶平均厚度2.3 m，留巷后巷道宽度4.5 m，底板岩层平均容重24.5 kN/m3，基本顶抗拉强度1.7 MPa，侧压系数为0.4，煤层倾角按平均5°考虑，B 点下沉量300 mm。将上述参数代入式（4），得到12509 皮带顺槽巷旁充填体强度不应小于11.3 MN/m。

根据理论计算结果可知，12509 皮带顺槽沿空留巷期间巷旁充填体提供的支护阻力应不小于11.3 MN/m。屯兰矿拟采用新型高水速凝材料，该种材料7 d 龄期时单轴抗压强度与其水灰比变化曲线如图2（b）所示。结合以往的工程实践[2-4]，设计所用高水材料水灰比为1.5:1，充填体抗压强度11 MPa，安全系数取2.0，得到充填体宽度理论计算为2.05 m。设计为巷旁充填体宽度2.2 m 符合理论计算要求。

3 沿空留巷支护设计

3.1 巷旁充填体参数设计

12509 皮带顺槽掘进断面尺寸宽、高=4.5 m、3.5 m，结合理论分析计算结果设计巷旁充填体规格长、宽、高=3.5 m、2.2 m、3.5 m。为保障巷旁充填体强度及稳定性，采用直径20 mm、长度2300 mm 的螺纹钢制作对拉锚杆进行加固，充填体表铺设用直径为6.5 mm 的钢筋加工而成的钢筋网。如图3。

图3 巷旁充填体补强支护示意图（mm）

3.2 留巷侧端头及铺网支护

为防止巷旁充填体施工阶段顶板冒落，保持充填区域内顶板的完整性及减少充填成本，提高沿空巷道顶板的稳定性，结合屯兰矿实际生产地质条件，具体方案如下：割煤后在端头2～3 架液压支架架前铺柔性网，顶板施工长度2.4 m 的锚杆、长度6.3 m的锚索，布置排距850 mm，然后移架，在采空区边缘与待充填位置打设临时单体，配合铰接顶梁及铁鞋，顶梁沿工作面推进方向。充填体上方顶板加强支护如图4 。

图4 充填体顶板支护示意图（mm）

3.3 巷内加强支护方案设计

12509 皮带顺槽掘巷时未考虑后期留巷，支护强度相对较低，因此在留巷期间在原支护基础上进行补强支护，煤柱帮补强锚索型号Φ21.6 mm×5000 mm， 煤柱帮补强锚杆采用Φ20 mm×L2400 mm 螺纹钢锚杆，顶板补强锚索型号Φ21.6 mm×6300 mm。留巷阶段补强支护及原有支护方案如图5。

3.4 留巷后段加强支护

根据屯兰矿沿空留巷工程实践阶段大量观测结果表明，滞后本回采工作面80 m 以上时，采空区顶板活动强度明显减弱，而与工作面距离小于80 m 范围内的采空区顶板活动较强烈，因此设计中在工作面后方80 m 范围内的12509 皮带顺槽采用单体液压支柱加强支护，每排布置3 根支柱，排距为900 mm，间距1200 mm，π 型钢顶梁与巷道轴线方向垂直布置。

4 应用效果监测

在留巷阶段设置综合矿压监测站，定期监测沿空巷道的矿压显现特征。以12509 皮带顺槽留巷第一个测点监测数据为基础，通过Excel 软件和Origin 软件处理后得到巷道表面变形量及充填体变形量变化趋势线如图6。分析可知，在12509 回采工作面后方20～60 m 范围内，采空区顶板垮落面积快速增大，顶板活动较剧烈，沿空巷道内围岩变形量开始迅速增大，巷旁充填变形量也显著增大；滞后回采工作面60～90 m 范围内，此时采空区顶板基本垮落完毕，巷道表面及巷旁充填体变形速度逐渐减小；滞后回采工作面90 m 以上时，巷道表面及充填体变形量基本稳定，顶底板移近量160 mm，两帮移近量210 mm，巷旁充填体横向变形量235 mm，纵向变形量190 mm。巷道表面变形量及充填体变形量始终保持在可控范围内，可满足服务于下区段回采工作面的断面需求，留巷支护效果良好。

5 结论

为提高屯兰矿沿空留巷工艺效率，设计引入高水速凝材料巷旁充填工艺来替代混凝土沿空留巷工艺。以12509 皮带顺槽留巷为工程背景，通过理论分析给出巷旁支护体强度不应小于11.3 MN/m，设计巷旁充填体宽度2.2 m；结合巷道原有支护方案及生产地质条件设计留巷阶段巷旁充填体补强支护、充填体顶板支护、巷内补强支护、留巷临时支护方案。应用监测表明，巷道表面及巷旁支护体最大变形量：顶底板移近量160 mm，两帮移近量为210 mm，巷旁充填体横向变形量为235 mm，纵向变形量为190 mm，留巷支护效果良好，可进行高水速凝材料巷旁充填沿空留巷开采工艺的推广使用。